钨合金叶片表面处理工艺研究*

□ 郭 召

西安大医集团股份有限公司 西安 710018

1 研究背景

多叶光栅准直器如图1所示,是新型高端医用直线加速器实现精准放射治疗的关键部件。钨合金叶片是多叶光栅准直器的基本组成单元。钨合金叶片成组相邻排布在箱体中,独立运动,共同协作包络出所需的射野形状。钨合金叶片在工作过程中进行往复运动,叶片上的导轨和叶片箱体中的导向槽构成一对滑动副,起引导叶片运动和承载叶片重力的作用。这一对滑动副表面同时承受法向压力与切向摩擦力,磨损是主要失效形式。高频往复运动引起滑动副磨损,造成摩擦阻力增大,驱动机构负荷增大,严重时会造成运动卡滞,对传动精度造成影响。磨损还会破坏原有的配合尺寸,导致间隙增大,降低钨合金叶片的运动姿态精度,使钨合金叶片在运动过程中产生振动噪声。

图1 多叶光栅准直器

为获得较长的使用寿命及良好的摩擦学性能,通常要求钨合金叶片表面具有高硬度、低摩擦因数。合理的表面镀层处理工艺可以提高硬度,减小摩擦因数,提高局部强度,改善表层形貌,并提高耐腐蚀性,对延长钨合金叶片使用寿命有重要意义。笔者对钨合金叶片的表面处理工艺进行研究。

2 镀层种类与特点

类金刚石镀层具有SP2和SP3电子轨道杂化的碳原子空间网络结构,如图2所示。类金刚石镀层既具有金刚石坚硬耐磨的特性,又具有石墨低摩擦的特性,是一种理想的耐磨减摩镀层,不需要任何润滑介质,就可以大幅减小摩擦损耗,在汽车、航空航天、军工领域得到广泛应用。由于金刚石结构在高温下不稳定,因此类金刚石镀层通常推荐的最高使用工作温度为300 ℃,适合高负载、中低温工况。类金刚石镀层可以在低温中成长,室温下即可获得,制备过程不会对零件基体造成热变形损坏,制备工艺性良好[1-3]。

碳化钨为黑色六方晶体结构,有金属光泽,硬度与金刚石相近。碳化钨热稳定性高,可以使用较高温度的制备工艺,预熔敷层、耐磨涂料、喷焊、堆焊、热喷涂等方法均可以制备碳化钨镀层[4-5]。碳化钨镀层的厚度通常能够达到0.5～15 μm,维氏硬度(HV)为2 000,硬度高,耐高温,耐磨损,在刀具、模具等行业应用广泛。

图2 类金刚石空间网络结构

固体干膜润滑镀层同样应用广泛,常见的有二硫化钼、二硫化钨、MIL-PRF-46010等。二硫化钼固体干膜镀层是一种热固化润滑剂,使用寿命长,耐磨损,自润滑性好,但强度及硬度较低,适用于轨压较低的工况,往复摩擦后易滑移堆积,持久性较差,使用寿命短。二硫化钨为六方晶体层状结构,难溶于其它溶剂,热稳定性强,润滑性能通常优于二硫化钼。MIL-PRF-46010是针对航空航天零件高温高速工况开发的一种固体干膜润滑剂,可通过浸涂、喷涂进行制备,镀层厚度为8～13 μm[6-8]。几种常用镀层的性能对比见表1。

表1 常用镀层性能对比

3 镀膜工艺

镀膜工艺主要有物理气相沉积和化学气相沉积两大类。

化学气相沉积经由气态先驱物,通过气相原子或分子间化学反应,生成薄膜。化学气相沉积温度要求较高,并伴有环境污染等问题,因此发展缓慢。物理气相沉积利用物质热蒸或在粒子轰击下物质表面原子溅射等物理过程,实现原子从源物质到薄膜的可控转移,是制备硬质镀层的常用技术。按照沉积时物理机制的差别,物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延等[9-10]。其中,真空蒸发镀膜和真空溅射镀膜是两种应用广泛的镀膜技术。

真空溅射镀膜原理如图3所示。在真空状态下通过辉光放电作用,使惰性气体氩气产生电离运动,生成氩离子轰击靶材,将靶材原子轰出,堆积在零件表面形成薄膜。真空溅射镀膜工艺可以在低温下进行,对精密金属件能够有效减小热误差。

图3 真空溅射镀膜原理

真空蒸发镀膜原理如图4所示。在真空条件下,通过电加热使蒸发容器中的镀膜材料蒸发,由固相转化为气相,形成蒸气流,从而沉积凝结在零件表面,形成稳定的薄膜。真空蒸发镀膜的镀层纯净度高,但均匀性不易控制,膜基附着力弱。

图4 真空蒸发镀膜原理

4 镀层选择与应用

多叶光栅准直器中钨合金叶片的安装如图5所示。钨合金叶片成组安装在箱体中,相邻排布,独立运动,到达各自目标位置,共同配合包络出所需形状。多叶光栅工作时要求钨合金叶片运动灵活,响应速度快,反复加减速时具有持久的高精度。对钨合金叶片表面进行镀层处理是提高耐磨性、减小摩擦力、保持高精度的重要手段。

通过对几种常用镀层的分析比较,综合考虑钨合金叶片的使用工况及运动要求,确认类金刚石镀层和碳化钨镀层是比较理想的镀层。在钨合金叶片样件上进行镀层快速试验,采用真空溅射镀膜工艺,碳化钨镀层如图6所示,类金刚石镀层如图7所示。碳化钨镀层表面偏灰白色,光泽暗淡,手触摸后会留下肉眼可见的手印。类金刚石镀层表面呈亮黑色,具有一定光泽。两种钨合金叶片分别安装在箱体中进行跑合测试,碳化钨镀层有剥落,类金刚石镀层表面完整,初步判断类金刚石镀层更适合用作多叶光栅准直器钨合金叶片的表面处理工艺,在后续小批量生产及应用中证明了这一选择的正确性。

图5 钨合金叶片的安装

图6 碳化钨镀层

图7 类金刚石镀层

5 结束语

多叶光栅准直器的钨合金叶片在工作过程中进行往复运动,要求钨合金叶片表面具有高硬度、低摩擦因数。对钨合金叶片进行表面处理,降低摩擦因数,提高表面硬度,减小磨损,可以显著提高运行平稳性,保持高精度。类金刚石镀层在多叶光栅准直器钨合金叶片上应用,可以满足需求,证明类金刚石镀层对于钨合金叶片而言是一种理想的镀层。